水封氣庫巷道連接交叉處穩定性數值模擬研究★

李 賽,孫 健,張 洪,劉和藝

(1.青島理工大學理學院，山東 青島 266033； 2.中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071； 3.北京東方新星勘察設計有限公司，北京 100070； 4.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

隧洞交叉段的施工，受力結構復雜，相互影響較大，對開挖方法、交叉處巖體加固方式等方面存在較大困難。目前國內對交叉隧道的數值計算研究較少，對地下水封氣庫交叉段的數值模擬研究更是鮮有報道。

楊林德等[1]通過建立三維有限元計算模型，采用彈塑性模型對龍灘水電站主支洞交叉處巖體穩定性進行分析，發現主支洞交叉處的巖體是應力松弛和塑性區的主要分布區域。游步上等[2]利用參數分析的方式探討了隧道交叉段開挖期間交叉段圍巖變形行為，得出隧洞交叉段變形機制。顏勤[3]對不同角度相交隧道交叉進行模擬研究，得出交叉洞室在開挖過程中的應力變化規律和相互影響范圍。劉金朋[4]對交叉隧道襯砌及圍巖開挖變形行為進行研究，為實際工程提供了參考經驗。劉凱等[5]采用FLAC3D數值模擬軟件，對交叉隧洞圍巖變形進行模擬分析，得到了交叉隧洞開挖后圍巖應力、位移規律。高魯[6]對影響交叉巷道圍巖穩定性不同因素進行分析，得出Y型交叉巷道是交叉巷道中穩定性最好的方式。朱正國等[7]通過研究常規爆破方式爆破對立體交叉隧道的動力響應規律，確定了安全震速標準以及不同影響程度的安全范圍。高媛[8]針對遼寧某地下水封洞庫豎井與洞室交叉處的穩定性進行分析，對其支護、監測提出了建議。趙躍堂等[9]通過數值模擬的方法研究了等跨正交洞室在沖擊荷載作用下的動力響應。雷浩等[10]通過大型振動臺試驗，探究了立體交叉隧道在地震荷載作用下的動力響應，為立體交叉隧道的抗震設計提供理論參考。

本文以某地下水封洞庫工程為背景，通過數值模擬軟件3DEC對洞庫巷道交叉位置進行數值模擬，對其所處圍巖條件、開挖方式、支護方式三個方面進行分析，得出圍巖應力分步及變形規律、支護結構空間變形特征，為現場順利施工提供可靠理論依據。

1 數值模擬方案

根據巖石力學相關原理，在地下結構工程施工過程中，由于施工擾動，地層由地應力平衡狀態發生應力釋放，而地應力發生變化的區域大小為施工區域的3倍～5倍，因此在模擬中采用的計算模型為開挖區域的3倍。巷道1與巷道2相互垂直，中心相交，巷道1為寬8 m，高7 m的拱形巷道，巷道2為寬7 m，高6 m的拱形巷道,以巷道1底板上表面中心點為(0，0，0)點，洞頂應距離地面130 m，模型洞頂距模型上方30 m，模擬過程中將上方100 m重力以均布荷載形式施加于模型頂部。計算模型不同的邊界采用不同的約束條件：計算模型的上部邊界為自由面；計算模型下部邊界為位移約束邊界，約束模型的X，Y，Z三向的位移；左右兩側邊界約束模型的前后與左右邊界；前后兩側邊界約束模型的前后與左右邊界。具體開挖順序見圖1，圍巖力學參數見表1。

表1 不同圍巖等級巖體物理力學參數

1.1 計算方案選取

為探究巷道交叉連接位置開挖過程中圍巖穩定性，特選取圍巖等級、開挖方式、支護方式三個角度對模型進行分析，具體方案見表2。

表2 計算方案設計

1.2 位移監測點分布

為清晰地觀測開挖過程中巖體位移的變化規律，本模型中加入位移監測點見圖2，其中巷道1中點頂部位置為監測點1～3；底板位置為監測點4～6；巷道2底板位置為監測點7～9；巷道交叉連接處分別布置監測點10～12。

2 開挖方式對洞室交叉連接處圍巖穩定性分析

2.1 圍巖變形特征

圖3給出不同圍巖等級巷道交叉部位開挖方式對圍巖變形的影響對比。從圖3中可以看出，巷道1底板出現明顯隆起，隨著圍巖等級降低，底板隆起量也有明顯增大趨勢，由1.55 mm增大到10.9 mm，增大了一個數量級；頂板及交叉連接部位出現沉降，沉降最大位置出現在洞室交叉位置，隨著圍巖等級降低，交叉位置沉降量明顯增大，由0.6 mm增大到6.85 mm。當改變開挖方式由一次性開挖改變為分步開挖后，底板隆起及交叉部位沉降有明顯降低，底板隆起最大降低1.59 mm，降幅14.59%，交叉部位沉降最大降低0.76 mm，降幅11.09%。最大降幅都出現在E類圍巖等級，在A類、B類圍巖等級效果并不明顯。為進一步對比不同開挖方式對圍巖變形影響規律，對監測點進行了位移監測，具體記錄曲線如圖4所示。

圖4為不同開挖方式監測點1～12位移變化。從圖4可以看出，當圍巖等級為C類圍巖時，各監測點位移出現陡升、陡降現象。從整體來看，分步開挖方式能有效改善圍巖變形量，在C類圍巖及以下等級更為明顯。由于分步開挖使巖體開挖卸荷作用減弱，使各監測點位移在C類圍巖以下降幅明顯增加。

2.2 應力場變化特征

圖5給出不同圍巖等級巷道交叉部位開挖方式對圍巖應力的影響對比。從圖5中可以看出，在巷道臨空面出現大量的主壓應力，隨著圍巖等級的降低，開挖位置附近最大主壓應力呈增大趨勢。在改變開挖方式由一次性開挖變成分步開挖后，巷道臨空面位置壓應力有明顯改善。

2.3 最大剪應變增量特征分析

圖6給出不同圍巖等級巷道交叉部位開挖方式對圍巖變形的影響對比。從圖6中可以看出，剪應變增量最大位置在巷道交叉位置以及巷道1的拱頂及底板位置。其中巷道1拱頂位置剪應變增量數值最大，為2.81×10-2(方案13)，并向交叉部位延伸貫通，形成潛在破壞區。隨著圍巖等級的降低，最大剪應變增量數值增大，剪應變影響面積增大。

當改變開挖方式由一次性開挖改變為分步開挖后，剪應變增量明顯改善，由2.81×10-2降低為2.54×10-2，降幅9.61%；剪應變增量影響面積也由巷道1拱頂延伸到交叉位置縮小為僅在交叉部位出現較大剪應變增量。

3 支護方式對洞室交叉連接處圍巖穩定性分析

3.1 圍巖變形特征

圖7為不同圍巖等級開挖支護后圍巖變形對比云圖。從圖7中可以看出，在開挖施加支護后，圍巖變形量有明顯降低，A類圍巖～E類圍巖底板隆起分別減少0.07 mm，0.02 mm，0.01 mm，1.03 mm，2.95 mm；交叉部位沉降量分別減少0.02 mm，0.08 mm，0.23 mm，1.29 mm，2.92 mm。支護結構對交叉部位巖體沉降變形量的抑制作用大于對底板隆起量的抑制作用。

為進一步說明支護結構對圍巖變形的影響作用，取監測點1～12對其位移進行監測分析，監測結果如圖8所示。

從監測點位移監測曲線可以看出，在增加支護結構后，各監測點位移有明顯改善，在D，E類圍巖效果尤為明顯。由于添加了襯砌、錨桿等支護結構，改善了巖體受力情況，減小了交叉部位圍巖變形，說明當前支護結構對減小圍巖變形方面是可行有效的。

3.2 應力場變化特征

圖9給出在增加支護結構后交叉部位圍巖應力對比云圖。從圖9中可以看出，在增加支護結構后，圍巖應力狀態有明顯改善，交叉部位最大主壓應力有明顯降低，在E類圍巖交叉部分最大降低了2 MPa左右，說明支護結構對圍巖應力狀態改善有顯著作用。

3.3 最大剪應變增量特征分析

圖10給出不同圍巖等級巷道交叉部位不同支護方式對圍巖變形的影響對比。在增加支護后，剪應變增量數值明顯改善，由2.54×10-2降低為1.93×10-2，降幅24.01%；最大剪應變增量數值均勻分布在交叉巷道附近，交叉位置僅有少量區域出現剪應變增量值過大現象。支護后剪應變增量最大區域應注意局部加固。

3.4 支護結構變形特征

圖11為襯砌結構與錨桿變形云圖。從圖11中可以看出，襯砌與錨桿在洞室交叉部位呈現沉降變形，在底部呈現隆起變形，與圍巖變形相協調。襯砌結構在洞室交叉部分出現最大沉降變形，隨著巖體等級的降低，襯砌結構沉降變形范圍逐漸增大；錨桿結構呈現正向變形，錨桿的部分形變減小了巖體的變形，有效改善巖體變形量。

4 結語

1)交叉巷道在A，B類工況下，潛在危險區域多處于巷道拱底、拱頂與巷道交接部位的局部；而在C，D，E工況下交接部位則更加危險，交叉部位與施工巷道拱肩逐漸形成貫通破壞區域。

2)當前交叉巷道一次性開挖情況下，D，E類工況的圍巖自穩能力較差，施工過程中需要注意加強相關工況的支護措施；當改變為分步開挖方式后，可以有效改善C類圍巖及以下圍巖變形量、最大主應力以及最大剪應變增量，而在A，B類圍巖變形優化效果并不明顯。

3)增加支護結構后，可以有效減小圍巖變形，改善圍巖應力狀態，縮小剪應變增量影響范圍。當前不同工況下的支護設計，基本可以保持巷道的圍巖穩定。